城市客车座椅动态碰撞的仿真与试验研究

冯二磊 田晋跃 孟媛媛 金明新 李德云

（1.江苏大学；2.江苏公路学会；3.丹阳车船装饰件公司）

城市客车座椅动态碰撞的仿真与试验研究

冯二磊1田晋跃1孟媛媛1金明新2李德云3

（1.江苏大学；2.江苏公路学会；3.丹阳车船装饰件公司）

使用MADYMO软件构建了某城市客车正面碰撞乘客约束系统的仿真模型，通过仿真计算分析确认所测假人各部分伤害值均满足法规要求。对某城市客车塑料座椅进行了动态碰撞试验，试验结果与仿真结果对比分析表明，仿真结果接近标准要求，从而验证了本文所建模型的正确性和可行性。

1 汽车碰撞仿真理论基础

汽车碰撞仿真中最主要的理论基础是有限元和多刚体动力学两部分。有限元法本质上是将研究对象的连续体分割成若干个大小有限的单元体，然后对每个单元体分别插值、求解的一种方法。多刚体动力学主要研究对象为外力作用下的刚体，涉及位移、受力、速度、加速度等方面的规律。

汽车碰撞仿真的系统输入为车体减速度，输出为定义了传感器输出部位的受力大小、位移、加速度等参数指标。为了较准确地得出仿真和试验数据，且保证计算量合理、提高仿真效率，本文对座椅、安全带织带与人体贴合部位采用有限元建模，对安全带其他部分、乘员等采用多刚体建模[1]。

2 座椅正面碰撞模型建立

2.1 座椅模型

座椅采用有限元模型，其他部分采用多刚体模型，各部件之间通过运动铰进行连接，以实现部件之间的相对运动。连接各部件的运动铰类型根据其具有的自由度来确定[2]。将在Hypermesh中划分完毕的网格节点和单元坐标数据导出复制到MADYMO中后，座椅有限元模型建立完毕。

2.2 假人模型

目前汽车碰撞试验中比较通用的假人为美国50百分位Hybrid III男性假人，该假人由32个刚体组成，外形和响应特性由53个椭圆球附着在不同刚体上表现，可直接调用。

2.3 安全带模型

本文建立的是MADYMO中混合两点式安全带模型，其中，与假人表面发生接触作用的部分采用有限元建模，与假人模型接触的部分采用多刚体模型，应用弹簧-阻尼单元[3]，建好的客车正面碰撞乘客约束系统模型[4]如图1所示。

2.4 接触定义

在MADYMO模型中定义的接触有:刚体与刚体接触（包括地板与假人鞋，并以平面刚体为接触主面）、刚体与有限元接触（包括假人头部、左右臂、左右膝盖与前排座椅靠背，假人腰部、髋部、大腿与腰带、小腿与前排座椅，假人髋部、大腿与后排座椅坐垫，假人头部、胸部、髋部与后排座椅靠背）。

2.5 加速度场

试验中采用台车模型模拟客车的碰撞环境，在正面碰撞中，由于乘客和约束系统的质量与台车相比非常小，因此乘客运动对台车响应的影响可以忽略。在模型计算时，将乘客运动从台车环境中隔离出来，将台车环境视为惯性参考空间而对假人定义两个速度场，一个是水平方向的加速度场，另一个是作用于人体且方向垂直向下的重力加速度场，水平方向的加速度即为台车碰撞试验中测得的台车减速度反向曲线。正面碰撞加速度场时间历程曲线如图2所示，试验中台车车速为32 km/h。

3 模型验证

3.1 两点式安全带约束情况

根据GB13057要求，本文主要使用碰撞过程中座椅应力、假人头部和胸部加速度、大腿轴向力、头部损伤判断指标HIC、胸部损伤评价指标ThAC等伤害评价指标。图3是模型的假人伤害仿真和试验曲线。

根据程序运行得到模型计算结果如表1所示，可以看出假人各部分伤害值均未超出GB13057法规标准，符合法规要求。

表1 两点式安全带约束情况模型计算结果

仿真中座椅应力云图如图4所示。由于未对座椅模型顶部做网格划分，所以出现假人颈部嵌在座椅模型顶部的情况，但假人模型与塑料座椅模型并未出现穿透现象，对座椅模型的应力分析不会产生影响。从图4中可以看出，塑料座椅受力最大值为26.1MPa,未超过使用材料的屈服极限50MPa。

3.2 无安全带约束情况

在实际应用情况中，城市客车行驶车速较低，塑料座椅基本都没有安全带固定点，也不使用安全带。因此对无安全带约束情况的乘客模型进行仿真，如图5所示。

根据程序运行得到模型计算结果如表2所示，从表2中可以看出，仿真结果中所测得的假人各部分伤害值均未超出GB13057法规标准，符合法规要求。

表2 无安全带约束情况模型计算结果

仿真中座椅应力云图如图6所示。从图6中可以看出，座椅应力最大值为29.9MPa,未超过使用材料的屈服极限50MPa。

在无安全带约束的情况下，可以得出仿真结果基本满足GB13057提出的乘客能被前方座椅和安全带恰当限制住、座椅及其安装足够牢固、座椅背面安装件和附件碰撞时都不应对乘客身体构成任何伤害的要求。

4 客车座椅动态试验

对客车塑料座椅进行动态碰撞试验，试验法规及标准按照GB13057对客车座椅动态试验的规定进行[5,6]。

本次试验对象为国内某厂家生产的针对中国市场的城市客车座椅。试验采用GB13057中两排座椅型式，通过查看前排座椅破坏情况和后排座椅假人各部分伤害指标来评价座椅的被动安全性能[7]，试验车速为32 km/h，左侧被测座椅上的假人装配了规定的安全带，右侧座椅上的假人无安全带约束。

5 仿真与试验结果对比

5.1 仿真模型运动学响应验证

本文分别选取0（试验开始前）、60ms（加速度最大时刻）、100ms（速度最大时刻）和150ms（峰值过后，假人基本进入较平稳状态时）时刻进行台车正面碰撞模型仿真和试验结果对比。

5.1.1 两点式安全带约束情况运动学响应验证

两点式安全带约束情况运动学响应对比如图7所示。

由图7可以直观看到，仿真结果与试验结果姿态基本一致。

5.1.2 无安全带约束情况运动学响应验证

无安全带约束情况运动学响应对比如图8所示。

由图8可以直观看到，仿真结果与试验结果姿态基本一致。

试验期间，左侧座椅零件、安装件和附件未出现完全分离，座椅能被牢牢固定住；试验后，座椅及其附件未出现可能导致人体受伤害的断裂、尖角和锐角；试验期间，右侧座椅靠背塑料撕裂，并出现完全分离，座椅能被牢牢固定住，试验后，座椅及其附件未出现可能导致人体受伤害的断裂、尖角和锐角。

座椅动态试验主要数据结果如表3所示。

表3 座椅动态试验结果

5.2 仿真与试验结果对比

表4为两点式安全带约束情况仿真结果与试验结果对比，表5为无安全带约束情况仿真结果与试验结果对比。从表4和表5可以看出，仿真结果更接近标准要求，其关键指标计算误差均在15%之内，MADYMO模型基本如实反映了整个碰撞的物理过程。

表4 两点式安全带约束情况仿真结果与试验对比

表5 无安全带约束情况仿真结果与试验对比

6 结束语

a构建了城市客车正面碰撞乘客保护系统模型，对模型进行计算可知，乘员损伤指标满足法规要求。

b依据我国法规对国内某一城市客车塑料座椅进行动态碰撞模拟试验，通过仿真分析结果与动态试验结果对比，验证了本文仿真结果的正确性和可行性。

c城市客车正面碰撞保护系统仿真，能够很好的预测碰撞过程中客车座椅的强度性能、乘员运动响应及其损伤程度，对减少实车碰撞试验次数、加快国内客车座椅安全标准和强度要求的改进具有重要意义。

1孟媛媛.客车座椅及连接件强度分析研究:[学位论文].镇江:江苏大学，2012.

2付景顺.机动车乘员约束系统的仿真建模分析.机械设计与制造,2010，11:113～114.

3张佳洪.基于近似模拟技术的约束系统优化设计方法:[学位论文].湖南:湖南大学,2009.

4吴云腾.正面碰撞时轿车后排乘员的伤害研究:[学位论文].镇江:江苏大学，2011.

5马晓丽.大客车座椅动态试验.汽车工程师,2010,6:40～42.

6金明新.中华人民共和国国家标准客车座椅及其车辆固定件的强度.交通标准化,2002.

7 GB 13057-2003.客车座椅及其车辆固定件的强度.

8高敬党.身材矮小乘员在正面碰撞过程中伤害的研究:[学位论文].长春:吉林大学，2007.

9金明新，王军华.客车座椅及其车辆固定件的安全性能要求.客车技术与研究,2001,23（5）:56～58.

10 MADYMO Version6.2.2.Theory Manual.TNO Road-vehicles Research Institute，2005.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2013年12月1日。

Simulation and Experimental Study of Dynam ic Collision of City Bus Seat

Feng Erlei1,Tian Jinyue1,Meng Yuanyuan1,Jin Mingxin2,LiDeyun3
（1.Jiangsu University;2.Jiangsu Highway and Transportation Society;3.Danyang Transport Decoration Co.,Ltd）

Simulation model of passenger restraint-system of a city bus under front impact is constructed with MADYMO,the simulation analysis confirms that all the injury valuesmeasured at different parts of the dummy meet the regulatory requirements.Dynamic collision test ismade to the plastic seat of a city bus,and the results are compared with simulation results,which show that the simulation results conform to standard requirement,thus proving correctness and feasibility of themodel constructed in this paper.

City bus,Seat,MADYMO simulation,Dynam ic collision,Test

城市客车座椅MADYMO仿真动态碰撞试验

U461.91

A

1000-3703（2014）09-0053-05